论文部分内容阅读
Pulse Width Modulation(PWM),即脉冲宽度调制,是一种广泛应用于直流电机控制、通信、开关电源等领域的技术。近年来,随着集成电路的发展,消费电子在市场中的占比越来越高,数字开关电源凭借其稳定性好、容易移植、可以实现复杂控制算法的特点逐渐成为热门的研究方向,其中的重要模块——数字脉冲宽度调制(Digital Pulse Width Modulation)模块也具有很大的研究价值,其线性度、开关频率和分辨率直接影响了开关电源的性能。通过对传统DPWM结构及提高分辨率方法的分析,本文提出了一种采用三级混合结构实现12bit分辨率的DPWM模块。根据SMIC 0.13μm工艺库,利用标准单元搭建了可调节延迟单元与校准模块,共同组成理想延迟为10ns的延迟链结构,其中可调节延迟单元的调节范围为0.705ns到1.835ns,最小延迟时间变化量约为0.069ns,使用8级串联实现延迟链。校准模块则通过检测延迟链上信号的相位差,从低到高逐步增加延迟,直到总延迟略高于10ns。在利用3bit延迟链结构、6bit计数-比较结构实现9bit分辨率的Core DPWM后,设计了二阶Sigma-Delta调制器、数字抖动模块进行3bit分辨率的扩展。使用Simulink对两种混合型DPWM模块进行建模并嵌入数字开关电源系统仿真,发现二阶Sigma-Delta调制器拥有更好地性能。最后,在片内将混合型DPWM模块挂载于一款基于RISC-V的微控制器的GPIO接口。根据前端的RTL级设计,采用分模块综合、分模块布局布线的方式,先进行了可调节延迟单元、延迟模块、延迟匹配模块的后端设计,再根据其物理库完成DPWM模块、微控制器的顶层物理实现。完成子模块的物理实现时,手动摆放部分标准单元来调节其曼哈顿距离,控制走线长度,提高器件的一致性,并通过给信号线添加Shield的方式降低内部长走线之间串扰的影响。通过后仿真的分析,DPWM模块能够在所有工艺角下正常工作,满足设计指标。本文设计的DPWM模块及基于RISC-V的微控制器,均通过了静态时序分析、形式验证、设计规则检查、版图与电路一致性检查、天线效应检查,并完成流片。